復合材料習題

1、復合材料習題第四章一、判斷題：判斷以下各論點的正誤。1、基體與增強體的界面在高溫使用過程中不發(fā)生變化。2、比強度和比模量是材料的強度和模量與其密度之比。3、浸潤性是基體與增強體間粘結(jié)的必要條件，但非充分條件。4、基體與增強體間界面的模量比增強體和基體高，那么復合材料的彈性模量也越高。5、界面間粘結(jié)過強的復合材料易發(fā)生脆性斷裂。6、脫粘是指纖維與基體完全發(fā)生別離的現(xiàn)象。7、混合法那么可用于任何復合材料的性能估算。8、纖維長度l<lc時，纖維上的拉應力達不到纖維的斷裂應力。二、選擇題：從A、B、C、D中選擇出正確的答案。1、復合材料界面的作用BA、僅僅是把基體與增強體粘結(jié)起來。B、將整體承受

2、的載荷由基體傳遞到增強體。C、總是使復合材料的性能得以改善。D、總是降低復合材料的整體性能。2、浸潤性A、DA、當sl+lv<sv時，易發(fā)生浸潤。B、當sl+lv>sv時，易發(fā)生浸潤C、接觸角=0時，不發(fā)生浸潤。D、是液體在固體上的鋪展。3、增強材料與基體的作用是A、DA、增強材料是承受載荷的主要組元。B、基體是承受載荷的主要組元。C、增強材料和基體都是承受載荷的主要組元。D、基體起粘結(jié)作用并起傳遞應力和增韌作用。4、混合定律AA、表示復合材料性能隨組元材料體積含量呈線性變化。B、表示復合材料性能隨組元材料體積含量呈曲性變化。C、表達了復合材料的性能與基體和增強體性能與含量的變化。

3、D、考慮了增強體的分布和取向。5、剪切效應是指AA、短纖維與基體界面剪應力的變化。B、在纖維中部界面剪應力最大。C、在纖維末端界面男應力最大。D、在纖維末端界面剪應力最小。6、纖維體積分量一樣時，短纖維的強化效果趨于連續(xù)纖維必須CA、纖維長度l=5lc。B、纖維長度l<5lc0C、纖維長度l=5-10lc0D、纖維長度l>10lcoo7、短纖維復合材料廣泛應用的主要原因A、BA、短纖維比連續(xù)纖維廉價。B、連續(xù)纖維復合材料的制造方法靈活。C、短纖維復合材料總是各一樣性。D、使短纖維定向排列比連續(xù)纖維容易。8、當纖維長度l>lc時，纖維上的平均應力A、CA、低于纖維斷裂應力。B、

4、高于纖維斷裂應力。C、正比于纖維斷裂應力。D、與l無關。三、氧化鋁纖維和SiC纖維的密度分別為3.3g/cm3和2.6g/cm3,假設對這兩種纖維進展拉伸試驗，在拉伸試驗中直到纖維失效時的變形為彈性變形，平均拉伸強度和失效應變氧化鋁纖維為1500MPa和0.4%SiC纖維為2300MPa和1.0%計算這兩種纖維的比模量和比強度。解答：比模量GPa/(g/cm3)：氧化鋁纖維113.6;碳化硅纖維88.5。比強度MPa/(g/cm3):氧化鋁纖維454.5;碳化硅纖維884.6。四、直徑7m、長度2mm的碳纖維單向增強聚碳酸脂基體，纖維的拉伸強度和纖維與基體的界面強度分別為2.5GPa和12.5

5、GPa。計算(1)臨界纖維長度lc和(2)長度方向復合材料的拉伸強度。解答：(1)lc=0.7mm;(2)843MPa五、采用XDtm法制備TiC/Al,為什么需要采用（1）一定粒度的Ti、Al和碳粉；（2）按一定量比例進展混合后，壓制成預制體；（3）加熱至一定反響溫度？采用*口m法可以制備出Al4C3/Ti或TiC/Al4C3/Al嗎？為什么？解答：從Ti、Al、C的互相反響熱力學去考慮。六、簡述復合材料增強體與基體之間形成良好界面的條件。在復合過程中，基體對增強體潤濕；增強體與基體之間不產(chǎn)生過量的化學反響；生成的界面相能承當傳遞載荷的功能。復合材料的界面效應，取決于纖維或顆粒外表的物理和化

6、學狀態(tài)、基體本身的構(gòu)造和性能、復合方式、復合工藝條件和環(huán)境條件。七、根據(jù)下列圖，討論為什么在一樣體積含量下，SiC晶須增強MMC強度抗拉與屈服強度均高于顆粒增強MMC,而這兩者的彈性模量相差不大。解答：從混合定律及晶須與顆粒的強度與模量考慮。八、1400c時AI2O3的氧擴散滲透率為310-10g/cms,密度為1.9g/cm,厚度為20cm的C/C涂覆AI2C3后在1400C、100小時后的氧化失重率為1%計算此時AI2O3涂層至少應需的厚度為多少？式RKM/xh中，當C/C中碳氧化為CO,K=0.75解答：R為C/C復合材料的氧化速率，單位：/h;K為常數(shù)，當C/C復合材料中碳氧化生成CO

7、,K=0.75;為C/C復合材料的體密度，單位為g/cm3;x為C/C復合材料構(gòu)件截面厚度的1/2,單位為cm；h為涂層厚度，單位為cm；M為涂層的氧擴散滲透率，單位為g/cmSo4.26m。九、試述影響復合材料性能的因素?；w和增強材料增強體或功能體的性能；復合材料的構(gòu)造和成型技術(shù)；復合材料中增強材料與基體的結(jié)合狀態(tài)物理的和化學的及由此產(chǎn)生的復合效應。十、復合材料的界面具有怎樣的特點？界面相的化學組成、構(gòu)造和物理性能與增強材料和基體的均不一樣，對復合材料的整體性能產(chǎn)生重大影響。界面具有一定的厚度約幾個納米到幾個微米，厚度不均勻。材料特性在界面是不連續(xù)的，這種不連續(xù)性可能是陡變的，也可能是漸變

8、的。材料特性包括元素的濃度、原子的配位、晶體構(gòu)造、密度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)卜一、什么是浸潤？如何描述浸潤程度的大小？試討論影響潤濕角大小的因素。獅戲木信不且用浸潤：固-氣界面被固-液界面置換的過程，用于描述液體在固體外表上自動鋪展的程度。固體外表的潤濕程度可以用液體分子對其外表的作用力大小來表征，具體來說就是接觸角。Young公式討論了液體對固體的潤濕條件:lvCOSsvsl降低液-固外表能和液-氣外表能或者增大固-氣外表能有助于潤濕。=0lv=sv-sl，完全浸潤；0V<90lv>sv-Sl>0，局部浸潤；>90sv<sl，完全不浸潤。影響接觸角潤濕角大小的因

9、素：固體外表的原始狀態(tài)，例：吸附氣體、氧化膜等均使接觸角增大。固體外表粗糙度增加將使接觸角減小。固相或液相的夾雜、相與相之間化學反響的產(chǎn)物都將影響潤濕性。原因：夾雜或反響產(chǎn)物改變了固相的性質(zhì)和固相的外表粗糙度。十二、如何改善基體對增強材料的潤濕性？1、纖維外表處理：去除纖維外表的雜質(zhì)、氣泡、用化學方法去除纖維外表的氧化膜，或者外表涂層，這些操作都能增進液態(tài)基體對纖維的潤濕性。2、變更基體成分：對于金屬基復合材料，合金化改善潤濕性最方便、有效。參加合金元素后，角的變化還與熔化時間有關。3、改變溫度：一般，提高制造溫度可以增加潤濕性，但是，過高的溫度會產(chǎn)生一些不利影響：基體嚴重過熱、氧化、基體與增

10、強材料在高溫下發(fā)生化學反響、增強材料損傷等。4、增加液體壓力：對于不潤濕的情況，必須施加大于PcPc4|VVf/dfcos的外壓才能使液體滲入纖維束。5、改變加工氣氛：sv和iv值隨氣體性質(zhì)的不同而變化，因此改變制造過程中的環(huán)境氣氛可以控制液體與固體之間的潤濕狀況。固體或液體外表吸附某種氣體，也可以改變sv或IV。十三、簡述玻璃纖維外表化學組成、構(gòu)造及反響性的特點。玻璃纖維整體化學組成包含Si、O、Al、Ca、Mg、B、F、Na等，但其外表只含有Si、O、AL玻璃纖維的構(gòu)造與塊狀玻璃相似：由三維空間的不規(guī)那么連續(xù)網(wǎng)絡構(gòu)成，陽離子位于多面體中心，被一定數(shù)目的O2-包圍，在玻璃內(nèi)部陽離子與陰離子的

11、作用力處于平衡狀態(tài)。玻璃外表的陽離子不能獲得所需數(shù)量的O2-,因而產(chǎn)生一種外表力，此外表力與外表X力、外表吸濕性密切相關，有吸附外界物質(zhì)的傾向。玻璃纖維外表會吸附多層水分子膜，外表吸附的水與玻璃組成的中的堿金屬或堿土金屬作用，在玻璃外表形oooooo成-OH基：Si-OD+H2OSi-OH+D+OH-D：堿金屬或堿土金屬玻璃纖維上所吸附的水具有明顯的堿性，將進一步與二氧化硅網(wǎng)絡反響：Si-O-Si+OH-Si-OH+Si-O-反響中生成的Si-O-將繼續(xù)與水反響形成另外的OH-:Si-O-+H2OSi-OH+OH-這樣，外表的吸附水就破壞了玻璃纖維中的SiO2網(wǎng)絡構(gòu)造，玻璃纖維成分中含堿量愈高

12、，吸附水對SiO2骨架的破壞愈大，纖維強度下降就愈大。玻璃纖維外表的反響性主要是由外表明顯的堿性和Si-OH基團所決定。Si-OH基團具有一般活性基團所具有的反響性質(zhì)，這種性質(zhì)是纖維外表改性、改善纖維與樹脂基體界面粘結(jié)的有利條件。十四、簡述復合材料的界面結(jié)合類型及其特點。1、機械結(jié)合：增強材料與基體之間僅依靠純粹的粗糙外表相互嵌入互鎖作用進展連接摩擦力，沒有化學作用。影響機械結(jié)合的因素：增強材料與基體的性質(zhì)、纖維外表的粗糙度、基體的收縮正壓力有利于纖維箍緊。2、溶解與浸潤結(jié)合：在復合材料的制造過程中，由單純的浸潤和溶解作用，使增強材料和基體形成交織的溶解擴散界面，是一種次價鍵力的結(jié)合。當基體的

13、基團或分子與增強材料外表間距小于0.5nm時，次價鍵力就發(fā)生作用。次價鍵力包括誘導力、色散力、氫鍵等。形成溶解與浸潤結(jié)合的根本條件：增強材料與基體間的接觸角小于90,增強材料與基體間有一定的溶解能力。3、反響界面結(jié)合：基體與增強材料間發(fā)生化學反響，在界面上形成新的化合物、以主價鍵力相互結(jié)合。這是一種最復雜、最重要的結(jié)合方式。反響結(jié)合受擴散控制，擴散包括反響物質(zhì)在組分物質(zhì)中的擴散反響初期和在反響產(chǎn)物中的擴散反響后期。要實現(xiàn)良好的反響結(jié)合，必須選擇最正確的制造工藝參數(shù)溫度、壓力、時間、氣氛等來控制界面反響的程度。界面反響層是非常復雜的組成，有時發(fā)生多個反響，產(chǎn)生交換反響結(jié)合。界面的反響產(chǎn)物大多是脆

14、性物質(zhì)，到達一定厚度時，界面上的剩余應力可使其發(fā)生破壞，因此，界面結(jié)合先隨反響程度提高而增加結(jié)合強度，但反響到達一定程度后，界面結(jié)合有所減弱。4、混合結(jié)合：上述界面結(jié)合方式的混合，實際情況中發(fā)生的重要的界面結(jié)合形式。十五、簡述影響增強材料與基體粘結(jié)性能的因素。固-液復合過程中，固體外表與液體的浸潤性。不同組分的分子或原子彼此相互接近時的狀態(tài)，形成化學結(jié)合時相互作用的強弱?；瘜W結(jié)合的形式主價鍵結(jié)合：共價鍵、離子鍵、金屬鍵等；次價鍵作用：靜電作用、誘導力、色散力、氫鍵、分子間的擴散等。十六、試討論碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的界面反響。碳纖維外表含有氧原子，以羥基、染基、竣基、內(nèi)酯基形式存在，這些基團

15、可以與樹脂基體中的胺基、環(huán)氧基等基團形成氫鍵。但是，碳纖維外表的這些含氧基團的濃度很低，反響的活性點很稀少，需要通過外表改性以減小碳纖維外表晶棱尺寸、增加外表積以及增加碳纖維外表含氧基例：碳纖維的氧化處理:加，氧胺固化的環(huán)氧樹脂中的胺基能與碳纖維外表的竣基形成氫化過程分別產(chǎn)生羥基、染基、竣基，并可能以環(huán)狀官能團形式存在鍵，環(huán)氧基也能與羥基和竣基形成氫鍵，在過量單體和較高溫度時，這些氫鍵就轉(zhuǎn)變成共價鍵。十七、試討論玻璃纖維增強混凝土中玻璃受到侵蝕的類型及其防護方法。中堿、無堿玻璃纖維在硅酸鹽水泥水化物中受到侵蝕，導致玻璃纖維增強混凝土的抗拉強度大幅度下降，甚至喪失殆盡?；瘜W侵蝕：水泥水化生成的C

16、a(OH)2與玻璃纖維的硅氧骨架之間發(fā)生化學反響生成水化硅酸鈣，當水泥液相中有NaOH、KOH存在時會加速反響。應力侵蝕：由于玻璃纖維外表存在缺陷，水泥水化生成的晶體可進入這些缺陷中，在缺陷端部造成應力集中并使缺陷擴展。防止水泥水化物對玻璃纖維侵蝕的措施：改變玻璃纖維的化學組分。例：參加較多量的ZrO2可提高玻璃纖維的抗堿性。例：可用培、對玻璃纖維外表進展被覆處理，以隔絕水泥水化物對纖維的侵蝕鈦、鋅、鋁等金屬的水溶性鹽對玻璃纖維進展處理；也可用抗堿性好的樹脂環(huán)氧樹脂、味喃對玻璃纖維進展浸漬處理而后使之固化。使用水化物堿度低的水泥以減緩或防止對玻璃纖維的侵蝕。例：采用水化產(chǎn)物中Ca(OH)2含量

17、低的甚至無Ca(OH)2的水泥高鋁水泥、硫鋁酸鹽水泥。十八、試討論硼纖維-鋁基復合體系的界面反響及其防護。B在高溫下，除Ag、Cu、Sn、Be外，可以與其它金屬發(fā)生反響生成不規(guī)那么的構(gòu)造，形成脆性的反響層。硼纖維和鋁的界面反響由于滲入氧生成氧化物而發(fā)生破壞，即B2O3層的破壞。當鋁的純度較高時，在纖維上生成A1B2：A1+2BA1B22B+3OB2O3碳化硅涂層能使硼纖維具有突出的抗氧化性。因為硼接觸不到鋁，硼化物的形成完全被抑制。鋁與硅不形成化合物，而鋁與碳的反響在碳化硅存在的情況下，在熱力學上是非常困難的。硼或鋁穿過碳化硅移動的擴散系數(shù)在800K時非常小，2.5m的碳化硅層已足以阻擋擴散。

18、十九、什么是增強材料的外表處理？簡述偶聯(lián)劑的化學構(gòu)造及作用。外表處理是在增強材料的外表涂覆上外表處理劑包括浸潤劑、偶聯(lián)劑、助劑等物質(zhì)，它有利于增強材料與基體間形成良好的粘結(jié)界面，從而到達提高復合材料各種性能的目的。偶聯(lián)劑的化學構(gòu)造：分子兩端含有性質(zhì)不同的基團，一端的基團與增強材料外表發(fā)生化學作用或物理作用，另一端的基團那么能和基體發(fā)生化學作用或物理作用，從而使增強材料與基體很好地偶聯(lián)起來，獲得良好的界面粘結(jié)，改善了多方面的性能，并有效地抵抗水的侵蝕。二十、試討論玻璃纖維的外表處理中偶聯(lián)劑用量確實定及影響外表處理效果的因素。偶聯(lián)劑的用量會影響最后處理效果，在實際應用中起偶聯(lián)作用的是偶聯(lián)劑單分子層。過多地使用偶聯(lián)劑是不必要和有害的。每種偶聯(lián)劑的實際最正確用量，多數(shù)要從實驗中確定。偶聯(lián)劑用量也可采用計算法求得：100g給定被處理的增強材料的外表積，被1g硅烷偶聯(lián)劑的最小涂覆面積除，即得該硅烷偶聯(lián)劑在100g此種被處理材料上涂覆一單分子層時所需要的量。偶聯(lián)劑在被處理材料外表上的涂覆并非只是單分子層，被處理材料單絲之間的間隙中往往比外表上含有更多的偶聯(lián)劑，也不能保證偶聯(lián)劑分子全部涂覆在被處理材料的外表上，所以，偶聯(lián)劑的實際用量應高于上述計算值。影響處理效果的因素：處理方法的影響：不同的處理方法會影響處理效果。一般來說，前處理法的效果